De la microunivers la macrounivers

La întrebarea ”Ce este Universul ?” cei mai mulți oameni se gândesc la corpurile astronomice și structurile compuse de acestea, mergând până la limita observabilă a corpurilor cerești. Dacă analizăm mai profund întrebarea putem constata că explorarea spațiului și timpului se poate face atât în sens crescător al coordonatelor și momentelor cât și în sens descrescător. Putem explora corpuri mai mari ca noi, începând de la planeta noastră și până la miliarde de ani-lumină, dar și corpuri mai mici decât noi, până la nivelul particulelor elementare ce compun Universul. În ambele sensuri explorarea este spațio-temporală. De exemplu un corp ceresc foarte îndepărtat este văzut așa cum era el în momentul în care lumina emisă, reflectată de acesta a plecat spre noi, astfel încât acum să fie percepută pe Pământ. În adâncurile materiei descoperim astăzi particule care nu mai există în stare liberă în prezent ci doar niște constituenți ai unor structuri aparent elementare.
Așadar Universul este un spațiu-timp care se întinde de la minus infinit la plus infinit, într-o exprimare matematică, care are ca punct zero omul, izvorul cunoașterii, care a reușit să creeze această imagine. Tot ca în matematică, infinitul nu poate fi atins. Noi încercăm mereu să avansăm în macrounivers și în microunivers, dar nu putem să ne imaginăm că vom ajunge vreodată la capete. Ceea ce merită remarcat este că un nou pas în descifrarea unuia din cele două intervale ale Universului poate ajuta la înțelegerea mai bună a celuilalt interval, ajungându-se astfel la o interdependență sugerată și de imaginea plastică din antetul articolului ce reprezintă Universul ca un șarpe care își înghite coada.
Voi face acum o incursiune în microunivers. Drumul căutărilor în explicarea interacțiunilor funda-mentale din Univers converge cu drumul căutărilor particulelor elementare ale materiei. Statutul de elementaritate l-au primit în decursul timpului, mereu alte și alte particule așa încât vom accepta următorul sens al conceptului de elementaritate: considerăm elementară o particulă care nu are structură internă (nu se poate pune în evidență o structura internă) și nu poate fi împărțită în constituenți.
Existența unei particule nu poate fi separată de interacțiunile sale cu celelalte particule. Ea apare în urma unei ciocniri între o particulă de mare energie și o altă particulă sau în urma unei dezintegrări și se dezintegrează dupa terminarea timpului de viață.
Tăria unei interacțiuni se apreciază prin parcursul particulei libere prin substanță și prin durata interacțiunii. Cu cât o particula străbate un drum mai lung, probabilitatea ei de interacțiune este mai mică și interacțiunea mai slabă; de asemenea o durată mare de interacțiune indică un cuplaj slab între particule. Cele patru tipuri de interacțiuni sau forțe, în ordinea descrescătoare a tăriei lor sunt:
a). Interacțiunea nucleară sau tare
Aceasta este interacțiunea ce menține coeziunea nucleului. Raza de acțiune este de până la dimensiunea nucleelor atomice. Interactiunea între două particule se explică prin schimbul unei cuante de câmp nuclear, cu masa de repaus zero, numita de Yukawa, mezon; o particulă emite un mezon, iar cealaltă îl absoarbe, de aceea mezonul se numește particula de schimb a interacțiunii tari.
b). Interacțiunea electromagnetică
Tăria este de 137 de ori mai mica decât a interacțiunii tari. Raza de acțiune este infinită. În cadrul electrodinamicii cuantice interacțiunea între doi electroni se descrie prin emisia unui foton de către un electron, fotonul fiind absorbit de celălalt electron. Acest schimb de cuante de câmp, în cazul de față fotoni, dă naștere la interacțiunea electromagnetică între cele doua particule încărcate electric. Fotonul este particula de schimb între particulele cu sarcină electrică sau cu moment magnetic.
c). lnteracțiunea slabă
Tăria este de 10 la puterea 15 ori mai mică decât a interacțiunii tari. Raza de acțiune este de 1000 de ori mai mica decât a interacțiunii tari, deci mult mai mică decât dimensiunile nucleelor atomice. Se manifestă în dezintegrarea beta a nucleonilor și în dezintegrarea unor particule elementare, în general în procesele în care apar neutrini sau miuoni. Particulele de schimb sunt bosonii W si Z, cu energii de repaus de aproximativ 8 GeV.
d). Interacțiunea gravitațională
Tăria este de 10 la puterea 40 ori mai mică decât a forței tari, de aceea efectul ei este insesizabil în procesele suferite de particulele elementare. Raza de acțiune este infinită ca la interacțiunea electromagnetică. lntensitatea deosebit de mică a acestui tip de interacțiune face ca până în prezent să nu cunoaștem încă particula ei de schimb. Deocamdată, ipotetic, o asemenea particulă a fost numită graviton .
Aceste interacțiuni fundamentale între particulele elementare sunt de fapt și interacțiunile fundamentale din Univers. În microunivers sunt semnificative interacțiunea tare, electromagnetică și slabă, iar în macrounivers interacțiunile cu raza de acțiune infinită: electromagnetică și gravitațională.
Până în prezent nu există o teorie unitară care să explice toate procesele de generare și dezintegrare a particulelor elementare. Singura cale pe care s-a putut avansa în cunoașterea lor a fost cea a introducerii unor numere cuantice, care respectă niște legi de conservare. Aceste numere cuantice împreună cu masa de repaus și timpul mediu de viață reprezintă proprietățile particulelor elementare .
În 1963 M.Gell-Mann și, independent, G.Zweig au elaborat teoria cuarcilor. Aceasta a condus la simplificarea tabloului particulelor elementare. Potrivit cu ceea ce este numit în prezent modelul standard al proceselor elementare, toată materia este alcătuită din leptoni și din cuarci, ale căror interacțiuni reciproce sunt mediate prin schimbul așa-numitelor particule-mesager.
Particule-mesager sunt: fotonul, în interacțiuni electromagnetice, bosonii vector slabi(W), în interacțiunile slabe si gluonii în interacțiunile dintre cuarci.
În final cea mai larg acceptată schemă a particulelor elementare conține:
- 6 cuarci si 6 anticuarci
- 6 leptoni si 6 antileptoni
(24 particule elementare)
- 1 foton
- 3 bosoni vectori slabi
- 8 gluoni
- 1 graviton (ipotetic)
(13 particule-mesager)
Având aceste informații despre microunivers putem înțelege evoluția Universului de la momentul Marii Explozii, numite Big-Bang. Datele noastre științifice ne permit să spunem că înainte de momentul Big-Bang, Universul era ultrafierbinte, 10 la puterea 32 K, densitatea era uriașă, 10 la puterea 96 kilograme pe metro cub, iar interacțiunile se manifestau probabil sub forma unică a unei forte superunificate. Din momentul Marii Explozii al ”supei primordiale de particule” Universul a intrat într-o fază de expansiune și de răcire treptată. Astfel particulele s-au asociat în structuri din ce în ce mai mari, iar interacțiunile fundamentale enumerate mai sus s-au desprins treptat una de cealaltă.
Dacă în momentul Big-Bang materia ce constituie Universul observabil de astăzi era concentrată într-un grăunte de dimensiunea 10 la puterea minus 27 metri, după un million de ani Universul avea deja 15 miliarde de ani-lumină și existau numeroase galaxii. Temperatura a scăzut în acest interval de timp de la 10 la puterea 28 K până la 10 K, cât este și în prezent temperatura medie a Universului. Dacă noi astăzi obesrvăm o structură cerească situată la 15 miliarde de ani-lumină de noi, putem spune că acea structură face parte din perioada timpurie a Universului, imaginea fiind de acum 15 miliarde de ani.
Având această viziune asupra Universului este mai ușor să înțelegem procesele care au loc în Univers. De exemplu marile surse de lumină, stelele produc această energie prin fuziunea nucleelor ușoare. Transferul energiei de la stele către planete se face prin fotoni. Exploziile stelelor gigante (supernovele) se produc datorită fisiunii nucleelor grele apropiate de condensarea uriașă a materiei. Uriașele spații goale nu sunt de fapt goale ci sunt umplute de particule-mesager care intermediază interacțiunile. La scara macrouniversului întâlnim (fără să-i vedem) gravitonii și fotonii. La scara microuniversului întâlnim fotoni, mezoni și bosoni.
În concluzie atunci când privim o stea, o galaxie, un sistem planetar putem înțelege pe deplin evoluția acelei structuri doar făcând apel la microstructurile ce o compun sau o leagă de alte structuri. Conexiunile și decalajele temporale existente în spațiul observat sunt aspecte ce nu trebuie ignorate dacă vrem să avem o imagine corectă asupra Universului.

Bibliografie:
1. Zeno Folescu -De la quarcuri la quasari, Editura Albatros 1990
2. Stewen Weinberg -Primele trei minute ale Universului, Editura politică 1984
3. George Folescu -Din enigmele microcosmosului, Editura Albatros 1986
4. George C. Moisil -Cascada modelelor în fizică, Editura Albatros 1985

Sursa imaginii: Glashow_snake_uroboros_(c)_Abrams,_Primack_2006